De straalstroom van de aarde helpt bij het creëren van de zaden van wolken

Wetenschappers hebben een nieuwe bron voor de zaden van wolken ontdekt. ​​Wanneer de stratosferische laag van de atmosfeer van de aarde een teen in de onderliggende troposfeer steekt, wordt het resulterende chemische mengsel een vruchtbare omgeving waar kleine nieuwe deeltjes, waaronder de microscopische aerosolen waar wolken omheen beginnen te klonteren, zich kunnen vormen.

Gegevens verzameld door vier vluchten van NASA-vliegtuigen in verschillende regio's van het noordelijk halfrond in 2016 en 2017 bevestigden dat dit mechanisme, stratosferische luchtintrusie genoemd, niet alleen een bron van nieuwe deeltjes is, maar ook de meest productieve plek voor deze deeltjes op aarde kan zijn, zo melden Jiaoshi Zhang, een aerosolwetenschapper aan de Washington University in St. Louis, en collega's in het tijdschrift Science van 12 juli.

Voorheen dachten wetenschappers dat de meeste nieuwe deeltjesvorming plaatsvindt in regio's van de atmosfeer waar wolken omhoog drijven naar de bovenste troposfeer en oplossen. Terwijl de wolken daar regenen, worden alle bestaande deeltjes verwijderd met het regenwater. Wat achterblijft in deze "wolkuitstroom"-gebieden is een onbeschreven blad, in principe deeltjesvrij, zodat gasvormige moleculen niets hebben om zich aan vast te klampen. In plaats daarvan maken ze nieuwe deeltjes.

Maar de luchtobservaties suggereren dat stratosferische luchtintrusies nog productiever zijn als het gaat om deeltjesvorming. Turbulentie in de atmosfeer veroorzaakt door de straalstroom, een snel bewegende luchtstroom, kan ervoor zorgen dat vingers van stratosferische lucht naar beneden slaan en in de troposfeer eronder krullen.

De twee atmosferische lagen hebben een heel verschillende chemische samenstelling en waar die luchtmassa's zich mengen, genereren ze zeer productieve deeltjesfabrieken, zegt medeauteur van de studie Jian Wang, een aerosolwetenschapper die ook aan de Washington University in St. Louis werkt. De stratosfeer is koud en rijk aan ozon, terwijl de troposfeer warmer, vochtiger is en een verscheidenheid aan moleculen bevat, zoals zwaveldioxide. Gekatalyseerd door zonlicht en water, kan de chemische reactie van deze luchtmassa's een verscheidenheid aan kleine deeltjes genereren, waaronder wolkenbezaaiend sulfaat.

Welke en hoeveel deeltjes precies worden gevormd door deze stratosferische luchtintrusies is een onderwerp voor toekomstig werk, zegt Wang. "We begrijpen de mechanismen niet echt in detail. We weten uit de gegevens dat ... je zonneschijn, veel ozon en vocht nodig hebt" om zeer reactieve moleculen te produceren die bekend staan ​​als OH-radicalen (SN: 6/4/09). Die moleculen interacteren graag met andere gassen in de atmosfeer. Dus er zijn waarschijnlijk veel verschillende chemische reacties gaande in deze regio's, die een verscheidenheid aan nieuwe moleculen en deeltjes produceren.

Golfing van de straalstroom kan leiden tot stratosferische luchtintrusie (hieronder geïllustreerd), waarbij de ozon (O3)-rijke stratosfeer naar beneden duikt in de waterrijke troposfeer. De troposfeer bevat ook een verscheidenheid aan gasvormige moleculen zoals zwaveldioxide (SO2), uitgestoten door fossiele brandstoffen en vulkanen. De chemische reacties tussen de twee lagen, gekatalyseerd door zonlicht en waterdamp, genereren de voorlopers van fijne aerosoldeeltjes, zoals zwavelzuur (H2SO4). Eerder onderzoek suggereerde dat het primaire mechanisme voor de vorming van nieuwe deeltjes in de atmosfeer "wolkuitstroom"-gebieden waren, waar wolken hoog in de troposfeer uiteenvallen.

Ondanks deze onzekerheden suggereert de analyse van het team van de frequentie en productiviteit van stratosferische luchtintrusies, vergeleken met wolkuitstroomgebeurtenissen, dat de intrusies een grotere bron van nieuwe deeltjes kunnen zijn, met name in de gematigde breedtegraden van de aarde. En klimaatverandering zal naar verwachting de stratosferische circulatie rond de aarde intensiveren, wat op zijn beurt zou kunnen toenemen hoe vaak de stratosfeer in de toekomst in de troposfeer prikt. Dat suggereert dat dit mechanisme nog belangrijker kan worden voor de vorming van nieuwe deeltjes, zegt Wang.

Deze bevindingen benadrukken een belangrijke bron van nieuwe deeltjesvorming die lang over het hoofd is gezien, maar die "alomtegenwoordig en frequent" in de atmosfeer blijkt voor te komen, zegt Yuanlong Huang, een atmosferische aerosolchemicus bij het Eastern Institute for Advanced Study in Ningbo, China, die niet betrokken was bij de nieuwe studie. "Het is een mechanisme dat nog niet is opgenomen in huidige modellen van het aardsysteem."

En zo'n grote, voorheen onvermoede bron van nieuwe deeltjes zou op zijn beurt kunnen betekenen dat de generatie van deze deeltjes een grotere rol speelt in hoe binnenkomende zonnestraling op aarde wordt verdeeld - inclusief hoeveel het aardoppervlak bereikt, vergeleken met hoeveel wordt geabsorbeerd door aerosolen en wolken hoog in de atmosfeer - dan wetenschappers ooit dachten.